Físicos de Illinois e Chicago desenvolvem novo método para medir a expansão cósmica

Estados Unidos - Agência de Notícias Ekhbary

Físicos de Illinois e Chicago desenvolvem novo método para medir a expansão cósmica

Por aproximadamente um século, a comunidade científica compreendeu que o universo está em um estado de expansão constante. Esse fenômeno, um testemunho do trabalho fundamental de cientistas pioneiros, é agora amplamente conhecido como a Constante de Hubble, ou Constante de Hubble-Lemaître. Atualmente, a pesquisa cosmológica emprega principalmente duas metodologias distintas para quantificar essa taxa de expansão: o Fundo Cósmico de Micro-ondas (CMB) e a Escada de Distância Cósmica.

O método CMB baseia-se em medições de desvio para o vermelho da radiação remanescente do Big Bang. Em contraste, a Escada de Distância Cósmica depende de medições de paralaxe e desvio para o vermelho derivadas de objetos celestes como estrelas variáveis e supernovas, frequentemente referidas como "velas padrão". No entanto, um desafio persistente surgiu: esses dois métodos principais produzem resultados conflitantes. Essa discrepância é agora conhecida como a "Tensão de Hubble" (Hubble Tension). Essa divergência representa um dos mistérios cósmicos mais significativos e desconcertantes que os cientistas enfrentam hoje.

Felizmente, pesquisas emergentes oferecem caminhos promissores para resolver essa tensão e fortalecer o Modelo Padrão da Cosmologia. Em um estudo recente significativo, uma equipe multidisciplinar de astrofísicos, cosmólogos e físicos da Universidade de Illinois e da Universidade de Chicago propôs um novo método inovador. Essa técnica aproveita as sutis ondulações no espaço-tempo, conhecidas como ondas gravitacionais (GWs), para refinar nossa compreensão da expansão cósmica.

A pesquisa foi liderada por Bryce Cousins, um bolsista de pesquisa de pós-graduação da NSF afiliado ao Instituto de Gravitação e Cosmologia (IGC) na Universidade de Illinois Urbana-Champaign. Ele colaborou estreitamente com numerosos colegas do IGC, bem como com pesquisadores do Instituto Kavli de Física Cosmológica e do Instituto Enrico Fermi da Universidade de Chicago. Seu estudo seminal, intitulado "Sirene Estocástica: Medições do fundo de ondas gravitacionais astrofísicas da constante de Hubble" (Stochastic Siren: Astrophysical gravitational-wave background measurements of the Hubble constant), foi publicado em 16 de janeiro na prestigiada revista Physical Review Letters.

Cientistas que se esforçam para resolver a Tensão de Hubble exploraram uma variedade de soluções teóricas. Estas variam de hipóteses envolvendo Energia Escura Primordial (EDE) e interações entre Matéria Escura (DM) e neutrinos, a modelos complexos de dinâmicas de energia escura em evolução. Nos últimos anos, a detecção de ondas gravitacionais também emergiu como uma ferramenta poderosa para abordar a Tensão de Hubble, oferecendo um meio independente de medir a expansão cósmica.

As ondas gravitacionais, previstas pela primeira vez pela Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, são essencialmente perturbações no tecido do espaço-tempo. Elas são geradas por eventos cósmicos cataclísmicos, como a fusão de objetos massivos, como estrelas de nêutrons e buracos negros. A primeira confirmação direta dessas ondas veio em 2016 por cientistas que operavam o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser (LIGO). Graças a avanços significativos em instrumentação e a uma sólida colaboração internacional, a rede LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) detectou com sucesso mais de 300 eventos de ondas gravitacionais.

Essas detecções abriram novas fronteiras na astronomia, permitindo aos cientistas investigar fenômenos cosmológicos e refinar as medições da expansão do universo. A pesquisa atual se baseia nesses avanços, identificando uma nova maneira de aprimorar essas medições. A equipe propõe alavancar o "fundo de ondas gravitacionais" (GWB) – um zumbido persistente de ondas gravitacionais originado de colisões astrofísicas que são muito fracas para serem detectadas individualmente pela rede LVK atual.

Essa abordagem inovadora é chamada de método da "Sirene Padrão Estocástica". O nome deriva da natureza estocástica, ou aleatória, das inúmeras colisões astrofísicas que contribuem para o GWB. Daniel Holz, professor da Universidade de Chicago e coautor do estudo, destacou a importância desse desenvolvimento em um comunicado de imprensa da Universidade de Illinois: "Não é todo dia que se inventa uma ferramenta totalmente nova para a cosmologia. Demonstramos que, usando o zumbido de fundo das ondas gravitacionais da fusão de buracos negros em galáxias distantes, podemos aprender sobre a idade e a composição do universo. Esta é uma direção empolgante e completamente nova, e esperamos aplicar nossos métodos a futuros conjuntos de dados para ajudar a limitar a constante de Hubble, bem como outras quantidades cosmológicas chave."

Como prova de conceito, os pesquisadores aplicaram sua metodologia a dados existentes da Colaboração LVK. Sua análise revelou que a não detecção atual do GWB fornece evidências convincentes contra modelos que preveem taxas lentas de expansão cósmica. Subsequentemente, eles integraram seu método de sirene estocástica com medições da Constante de Hubble derivadas de eventos de fusão de buracos negros individuais, alcançando uma taxa de expansão mais precisa.

"Como estamos observando colisões individuais de buracos negros, podemos determinar as taxas dessas colisões ocorrendo em todo o Universo", explicou Cousins. "Com base nessas taxas, esperamos que haja muito mais eventos que não podemos observar, o que é chamado de fundo de ondas gravitacionais." Essa percepção sugere que, se a Constante de Hubble fosse menor, o volume de espaço dentro do qual essas colisões ocorrem seria menor, implicando uma maior densidade de colisões e um sinal GWB mais forte, potencialmente dentro da faixa de detecção dos instrumentos atuais.

O coautor Nicolás Yunes, diretor fundador do Centro de Estudos Avançados do Universo de Illinois (ICASU), enfatizou a importância desta medição independente: "Este resultado é muito significativo – é importante obter uma medição independente da constante de Hubble para resolver a tensão atual de Hubble. Nosso método é uma forma inovadora de aumentar a precisão das inferências da constante de Hubble usando ondas gravitacionais."

Com as atualizações planejadas na sensibilidade da rede LVK, os cientistas estimam que o GWB provavelmente será detectado nos próximos seis anos. Se e quando isso acontecer, espera-se que o método de sirene estocástica da equipe refine ainda mais as medições da Constante de Hubble. Nesse ínterim, o método pode ser empregado para limitar valores possíveis mais altos da Constante de Hubble, estabelecendo assim limites superiores para o GWB e permitindo estudos preliminares antes que a detecção direta se torne viável.

"Isso deve abrir caminho para a aplicação deste método no futuro, à medida que continuamos a aumentar a sensibilidade, a limitar melhor o fundo de ondas gravitacionais e talvez até a detectá-lo", afirmou Cousins. "Ao incluir essas informações, esperamos obter melhores resultados cosmológicos e estar mais perto de resolver a Tensão de Hubble."

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